Phân tích thông lượng của mạng WBAN phân cụm khi có lỗi bít

Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> PHÂN TÍCH THÔNG LƯỢNG CỦA MẠNG WBAN<br /> PHÂN CỤM KHI CÓ LỖI BÍT<br /> Nguyễn Như Thắng1, Nguyễn Huy Hoàng2*, Phạm Thanh Hiệp2<br /> Tóm tắt: Khái niệm về phân cụm cho mạng vô tuyến quanh cơ thể (WBAN) đã<br /> được chỉ ra trong một số nghiên cứu, theo đó phương pháp điều khiển truy cập cũng<br /> đã được đề xuất để tăng thông lượng của hệ thống. Tuy nhiên, kênh truyền giữa các<br /> cảm biến thành viên với cụm trưởng hay giữa cụm trưởng với bộ điều phối được giả<br /> định là không có lỗi, và việc giải mã các gói tin ở phía thu được xem như luôn<br /> thành công. Việc giả định này chưa sát với thực tế vì các cảm biến trong mạng<br /> WBAN luôn truyền tín hiệu với công suất thấp để kéo dài tuổi thọ của cảm biến và<br /> tránh ảnh hưởng tới cơ thể. Trong bài báo này, chúng tôi đề xuất phương pháp<br /> phân tích phương pháp phân cụm và điều khiển truy cập trong trường hợp có lỗi bít<br /> cho mạng WBAN. Các công thức tính lỗi bít được đưa vào để phân tích thông lượng<br /> của hệ thống và thông lượng của các phương pháp điều khiển được so sánh khi các<br /> tham số hệ thống thay đổi. Kết quả tính toán đã chỉ ra rằng phương pháp tái sử<br /> dụng siêu khung theo không gian cho thông lượng lớn hơn các phương pháp khác<br /> tại mọi giá trị của tỷ lệ tín trên tạp (SNR) hay các tham số hệ thống khác.<br /> Từ khóa: Mạng WBAN phân cụm, Tái sử dụng siêu khung theo không gian, Tỷ lệ lỗi bít, Thông lượng.<br /> <br /> 1. MỞ ĐẦU<br /> WBAN đầu tiên được đề xuất để ứng dụng trong lĩnh vực y tế nhằm giám sát<br /> bệnh nhân bị bệnh tim mạch, giám sát chăm sóc người cao tuổi, phát hiện ung thư,<br /> hệ thống y học từ xa [1]-[2]. Các bệnh viện sẽ quản lý và giám sát được toàn bộ<br /> các thông tin của bệnh nhân như: nhịp tim, huyết áp, các tham số của máu... một<br /> cách liên tục và tức thời, điều này sẽ thực sự có ý nghĩa trong việc điều trị bệnh<br /> nhân. Những người gặp các vấn đề về sức khỏe như các bệnh về huyết áp, bệnh<br /> tiểu đường, bệnh tim mạch... sẽ cảm thấy yên tâm hơn khi họ biết rằng họ đang<br /> được liên tục giám sát y tế, bất kể là họ đang ở đâu và làm gì. Ở cấp độ cao hơn,<br /> WBAN không những chỉ dừng lại ở việc giám sát mà còn trực tiếp tham gia vào<br /> việc điều trị. Một ví dụ điển hình là các nhà khoa học đã thực hiện cấy cảm biến<br /> vào võng mạc của bệnh nhân khiếm thị để trao cơ hội cho họ có được cảm nhận về<br /> một thế giới thực hoặc là phát hiện ung thư bằng các cảm biến có khả năng phát<br /> hiện oxit nitric tạo ra bởi tế bào ung thư mà không cần phải sinh khiết. Trong<br /> tương lai WBAN, hứa hẹn mang lại một nền tảng hạ tầng mới cho lĩnh vực y tế. Vì<br /> thế, nhiều nghiên cứu cho WBAN đã được tiến hành và công bố trong thời gian<br /> gần đây.<br /> Nhiều nhà nghiên cứu đã phân tích, đánh giá hiệu năng mạng dựa trên giao thức<br /> CSMA/CA với các chuẩn truyền thông vô tuyến khác nhau như: IEEE 802.11e [3];<br /> IEEE 802.11 [4]-[5]; IEEE 802.15.3 [6]; IEEE 802.15.4 [7] trong các nghiên cứu của<br /> họ. Tuy nhiên, do cơ chế của CSMA/CA trong IEEE 802.15.6 khác với cơ chế của<br /> các công nghệ vô tuyến khác, những mô hình phân tích này không đúng cho chuẩn<br /> IEEE 802.15.6 [8]. Trong [9], các tác giả phân tích những ảnh hưởng của độ dài<br /> khoảng truy cập đến hiệu năng mạng. Họ kết luận rằng độ dài khoảng truy cập nhỏ<br /> hay lớn ảnh hưởng đáng kể đến việc sử dụng tài nguyên mạng và giao thức<br /> CSMA/CA trong IEEE 802.15.6 không hiệu quả khi lưu lượng tải cao. Trong [10],<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 48, 04 - 2017 51<br />  Kỹ thuật điều khiển & Điện tử<br /> <br /> các tác giả đã đề xuất mô hình giải tích để đánh giá hiệu năng mạng dưới điều kiện<br /> kênh không bão hòa, kết quả chỉ ra rằng việc chọn độ dài các khoảng truy cập ngẫu<br /> nhiên phù hợp sẽ cải thiện được thông lượng của mạng. Trong [11], các tác giả<br /> nghiên cứu hiệu năng của chuẩn IEEE 802.15.6 với giao thức CSMA/CA ở điều<br /> kiện bão hòa. Các kết quả chỉ ra rằng thiết bị được truy cập một cách dễ dàng bởi các<br /> cảm biến có ưu tiên cao, trong khi các cảm biến khác thì không được phép truy cập.<br /> Tuy nhiên, các nghiên cứu trên chỉ tập trung vào mô hình đơn chặng cho<br /> WBAN mà chưa nghiên cứu tới mô hình mở rộng cho mạng WBAN. Mặt khác,<br /> các nghiên cứu này giả sử mô hình hệ thống là lý tưởng, không có tạp âm, vì thế<br /> không có lỗi bít do ảnh hưởng của tạp âm. Điều này chưa sát với thực tế. Nhóm<br /> nghiên cứu của chúng tôi đã đề xuất mô hình phân cụm cho WBAN [12], và có<br /> những nghiên cứu cụ thể cho mô hình phân cụm dựa trên chuẩn IEEE 802.15.6<br /> [13]-[15]. Trong nghiên cứu này, chúng tôi tiếp tục tập trung nghiên cứu hệ thống<br /> phân cụm không điều khiển, phân cụm tái sử dụng siêu khung theo không gian và<br /> phân cụm điều khiển hoàn toàn trong trường hợp không lý tưởng, xuất hiện lỗi bít<br /> ở thiết bị thu do ảnh hưởng của tạp âm. Ở đây, tham số tỷ lệ tín trên tạp được đưa<br /> vào để đánh giá ảnh hưởng của tạp âm lên thông lượng của hệ thống. Các công<br /> thức tính lỗi bít cho mã kênh theo chuẩn IEEE 802.15.6 được nghiên cứu và đưa<br /> vào phân tích thông lượng của hệ thống. Thông lượng được so sánh dựa trên các<br /> phương pháp điều khiển khác nhau khi các tham số hệ thống thay đổi.<br /> Bài báo trình bày hệ thống WBAN phân cụm, các phương pháp điều khiển truy<br /> cập, phân tích đánh giá thông lượng thông qua các công thức toán học. Cuối cùng<br /> là kết quả tính toán thông lượng khi các tham số hệ thống thay đổi, qua đó, đánh<br /> giá ảnh hưởng của các tham số hệ thống đến thông lượng của hệ thống WBAN.<br /> 2. MÔ HÌNH PHÂN CỤM CÓ ĐIỀU KHIỂN<br /> 2.1. Mô hình hệ thống<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 1. Mô hình hệ thống WBAN phân cụm không lý tưởng.<br /> <br /> <br /> 52 N. N. Thắng, N. H. Hoàng, P. T. Hiệp, “Phân tích thông lượng của mạng… khi có lỗi bít.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> Mô hình phân cụm có điều khiển đã trình bày trong tài liệu [15], trong điều kiện<br /> không lý tưởng, WBAN phân cụm được thể hiện ở hình 1, bao gồm một bộ điều<br /> phối, các cụm có 1 cụm trưởng (CH) và một số cảm biến. Việc phát dữ liệu từ các<br /> cảm biến thành viên tới CH của nó và từ các CH tới bộ điều phối hoạt động theo<br /> phương pháp truy cập CSMA/CA. Bởi vậy, CH bị ảnh hưởng không chỉ bởi các<br /> cảm biến thành viên, mà còn bởi các CH và các cảm biến thành viên ở cụm ngay<br /> cạnh nó. Trong hình 1, 6 CH có nghĩa là có 6 cụm được chia ra bởi các cạnh tách<br /> biệt nhau trong cụm. CH và một nửa các cảm biến thành viên ở các cụm ngay cạnh<br /> (cụm thứ i -1 và i +1) ảnh hưởng tới việc truyền dữ liệu của cụm thứ i. Hơn nữa,<br /> bộ điều phối bị ảnh hưởng bởi tất cả các CH và các cảm biến thành viên ở trong<br /> vùng ảnh hưởng của bộ điều phối.<br /> Giả định UP và xác suất truy cập của tất cả các cảm biến, số lượng các cảm biến<br /> thành viên ở mỗi cụm là như nhau. Một cảm biến có thể truy cập kênh với xác suất<br /> truy cập  , trong đó,  có thể tính toán từ tỷ lệ phát sinh gói tin λ của nó theo<br /> phương pháp chuỗi Markov thời gian rời rạc (DTMC). Mặt khác, số lượng các cảm<br /> biến thành viên trọng một cụm, số các CH và số các cảm biến thành viên mà bộ<br /> điều phối ảnh hưởng tới được ký hiệu tương ứng là N s , N c và N h . Gọi N là tổng<br /> số cảm biến (ngoại trừ các CH), khi đó N s  N N . Trong điều kiện các cảm biến<br /> c<br /> được phân bố đồng đều trên cơ thể, số các cảm biến gần với bộ điều phối là độc lập<br /> với số cụm, nó phụ thuộc vào vị trí của các CH. Như đã giải thích ở trên, các CH<br /> được đặt ở giữa các cảm biến thành viên và bộ điều phối, vì vậy, tỷ số khoảng cách<br /> từ 1 CH tới bộ điều phối, bộ điều phối và cảm biến thành viên ở xa nhất được coi<br /> như xấp xỉ 1/3. Bởi vậy, N h được tính như sau:<br /> 2<br /> 1<br />  <br /> 3 N<br /> N h  N  2  (1)<br /> 1 9<br /> 2.2. Các phương pháp điều khiển truyền tin<br /> 2.2.1. Phân cụm không điều khiển<br /> Phân cụm không điều khiển là việc truyền tín hiệu của các cảm biến trong từng<br /> cụm không được điều khiển bởi bộ điều phối, mà chỉ dựa theo phương thức truy<br /> cập CSMA/CA. Nghĩa là cảm biến trong tất cả các cụm đồng thời cảm nhận sóng<br /> mang và truyền gói dữ liệu nếu thấy kênh truyền rỗi.<br /> Xác suất truy cập của các CH trong trường hợp không lý tưởng được tính toán<br /> như sau:<br /> s<br />  c  Psuc (2)<br /> s<br /> Với Psuc là xác suất truyền thành công của tất cả các cảm biến thành viên trong<br /> một cụm. Một cảm biến thành viên truyền thành công khi các cảm biến thành viên<br /> khác cũng như 3 CH trong vùng ảnh hưởng của CH nhận dữ liệu đang trong trạng<br /> thái dừng hoạt động hoặc nhận dữ liệu từ các cảm biến; Ngoài ra, dữ liệu thu được<br /> ở CH phải được giải mã thành công. Vì thế, xác suất truyền thành công của tất cả<br /> cảm biến trong một cụm được tính theo công thức sau:<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 48, 04 - 2017 53<br />  Kỹ thuật điều khiển & Điện tử<br /> N2<br /> s<br /> Psuc  N s 1   <br /> N s 1<br /> 1   c 3 1   2 2 1  PER  (3)<br /> Trong đó, PER là xác suất lỗi gói tin và được tính bằng:<br /> E P<br /> PER  1  1  BER  N code<br /> với BER là tỷ lệ lỗi của một khối dữ liệu đã được mã hoá có chiều dài Ncode, E[P]<br /> là kích thước của tải. Theo chuẩn IEEE 802.15.6, mã kênh quy định cho băng<br /> thông được sử dụng là BCH, vì thế, tỷ lệ lỗi của khối dữ liệu BER được tính theo<br /> công thức sau [16]:<br /> Ncode<br />  N code  j N code  j<br /> BER     pmod 1  pmod  (4)<br /> j Tcode 1  j <br /> với Pmod là xác suất lỗi bít sau giải điều chế. Điều chế sử dụng cho băng tần này là<br /> 1<br /> π/2-DBPSK, vì thế Pmod  e  SNR [17]. Ở đây, mã BCH(63,51) được áp dụng theo<br /> 2<br /> quy định của IEEE 802.15.6 nên Ncode = 63, Kcode = 51 và năng lực giải mã thành<br /> công Tcode = 2 [16].<br /> Vì τ, τc ≪ 1, nên các thành phần bậc cao của τ và τc có thể bỏ qua. Bởi vậy, từ<br /> công thức (2) và công thức (3), xã suất truy cập của các CH được tính như sau:<br /> 2 N s 1<br /> N s 2 1    1  PER <br /> c  2 2 N s 1<br /> (5)<br /> 1  3 N s 1    1  PER <br /> Một CH truyền thành công nếu các CH khác và Nh cảm biến thành viên gần với<br /> bộ điều phối không hoạt động, ngoài ra gói tin được giải mã thành công ở bộ điều<br /> phối. Thêm vào đó, một CH cảm nhận thấy kênh là lỗi nếu tất cả các CH và các<br /> cảm biến thành viên trong vùng ảnh hưởng của CH ấy không đang truyền tin. Bởi<br /> vậy, xác suất thành công và xác suất rỗi của các CH lần lượt tương ứng với các<br /> phương trình sau:<br /> c Nh<br /> Psuc   c 1   c 1  PER  (6)<br /> c N 2N<br /> Pidle  1   c  1   <br /> c s<br /> <br /> <br /> <br /> c c c<br /> Gọi Pfail = 1- Psuc - Pidle là xác suất truyền tin thất bại nếu xẩy ra xung đột hoặc<br /> giải mã thất bại. Vì thế, thông lượng của hệ thống đối với việc phân cụm không<br /> điều khiển trong điều kiện không lý tưởng được tính bằng công thức tương tự với<br /> phân cụm lý tưởng:<br /> c<br /> N c Psuc Rcode E  P <br /> Thro  c c c<br /> (7)<br /> Pidle Ts  Psuc T  Pfail Tc<br /> <br /> K code<br /> Với: Rcode = là tỷ lệ mã hoá và Ts , T , Tc lần lượt là thời gian của một<br /> N code<br /> khe CSMA, thời gian trung bình truyền một gói tin và thời gian xung đột [15].<br /> 2.2.2. Điều khiển hoàn toàn<br /> <br /> <br /> 54 N. N. Thắng, N. H. Hoàng, P. T. Hiệp, “Phân tích thông lượng của mạng… khi có lỗi bít.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> Trong hệ thống WBAN phân cụm không điều khiển, các cảm biến thành viên và<br /> các CH (đặc biệt là các cảm biến thành viên và CH trong những cụm ở gần) bị ảnh<br /> hưởng 2 lần bởi việc truyền dẫn một gói tin: một lần từ cảm biến tới CH và một lần<br /> từ CH tới bộ điều phối. Bởi vậy, để giảm xác suất bận và tăng thông lượng của hệ<br /> thống, phương thức điều khiển hoàn toàn được đề xuất. Trong phương thức điều<br /> khiển hoàn toàn, bộ điều phối cho phép mỗi cụm truyền trong một khe thời gian<br /> khác nhau, gọi là một siêu khung, được phân biệt bởi các xung tín hiệu (Beacon).<br /> Để đảm bảo tính công bằng cho các cụm, chiều dài của tất cả các siêu khung được<br /> xem là như nhau. Vì thế, tại một thời điểm chỉ có một cụm được phép truyền tín<br /> hiệu, các cảm biến thành viên và CH của cụm ấy truyền tín hiệu trong siêu khung<br /> của chính nó, các cảm biến thành viên và các CH trong các cụm khác chuyển về<br /> trạng thái ngủ để tiết kiệm năng lượng.<br /> Xác suất thành công của tất cả các cảm biến trong một cụm, xác suất thành công<br /> và xác suất rỗi của CH lần lượt được biểu diễn như sau:<br /> s N s 1<br /> Psuc  N s 1    1   c  1  PER  (8)<br /> Nh<br /> c N c 1<br /> Psuc   c 1   c  1    1  PER Nc<br /> <br /> c N<br /> Pidle  1   c  1    s<br /> <br /> <br /> <br /> Xác suất truy cập của CH trong phương pháp điều khiển hoàn toàn là:<br /> N s 1<br /> N s 2 1    1  PER <br /> c  2 N s 1<br /> (9)<br /> 1  N s 1    1  PER <br /> Thông lượng của hệ thống phân cụm hoàn toàn được tính theo công thức:<br /> c<br /> Psuc Rcode E  P <br /> Thro  c c c<br /> (10)<br /> Pidle Ts  Psuc T  Pfail Tc<br /> <br /> 2.2.3. Tái sử dụng siêu khung theo không gian<br /> Phương pháp điều khiển hoàn toàn có thể giảm ảnh hưởng của việc truyền mỗi<br /> gói tin lên các cảm biến thành viên và các CH trong các cụm lân cận, làm tăng xác<br /> suất truyền thành công, nhưng thời gian truyền của mỗi cụm ngắn hơn, vì thế, thông<br /> lượng của hệ thống giảm đi số lần đúng bằng số lượng cụm. Để tăng thông lượng<br /> của hệ thống, phương pháp tái sử dụng siêu khung theo không gian được đề xuất.<br /> Phương pháp tái sử dụng siêu khung theo không gian được giải thích như sau: một<br /> số cụm được phép truyền đồng thời trong cùng một siêu khung, nhưng các cụm lân<br /> cận được gán với các siêu khung khác nhau để giảm xác suất bận của kênh truyền.<br /> Vì thế, trong phương pháp điều khiển hoàn toàn, số lượng siêu khung sử dụng cho<br /> toàn bộ Nc cụm là Nc siêu khung, nhưng trong phương pháp tái sử dụng siêu khung,<br /> số lượng siêu khung sử dụng cho toàn bộ Nc cụm là k siêu khung, với k < Nc, và số<br /> lượng cụm được phép truyền trong cùng một siêu khung là Nc/k .<br /> Các xác suất của phương pháp tái sử dụng siêu khung theo không gian được<br /> tính như phương pháp điều kiển hoàn toàn:<br /> s N s 1<br /> Psuc  N s 1    1   c  1  PER  (11)<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 48, 04 - 2017 55<br />  Kỹ thuật điều khiển & Điện tử<br /> Nc Nh<br /> c 1<br /> Psuc   c 1   c  k 1    k 1  PER <br /> Nc<br /> c<br /> Pidle  1   c  k 1    N s<br /> <br /> <br /> <br /> Nhưng công thức tính thông lượng của phương pháp tái sử dụng siêu khung lúc<br /> này chỉ chia cho k, nghĩa là khả năng thông lượng của phương pháp tái sử dụng<br /> siêu khung sẽ cao hơn phương pháp điều khiển hoàn toàn.<br /> c<br /> Nc Psuc Rcode E  P <br /> Thro  c c c<br /> (12)<br /> k PidleTs  Psuc T  Pfail Tc<br /> <br /> 3. KẾT QUẢ TÍNH TOÁN<br /> Các phương pháp điều khiển đã được giải thích, phân tích và xây dựng công<br /> thức tính toán thông lượng ở trên. Tuy nhiên, thông lượng của cả 3 phương pháp<br /> phụ thuộc vào SNR, tổng số cảm biến, số cụm, kích thước tải, xác suất truy cập...<br /> Ảnh hưởng của mỗi thông số tới thông lượng của hệ thống được xem xét khi các<br /> tham số khác được cố định. Các tham số chính của hệ thống được biểu diễn trong<br /> bảng 1, các tham số khác xem thêm trong tài liệu [15].<br /> Bảng 1. Các tham số chính của hệ thống.<br /> SNR (dB) 10<br /> Tổng số các cảm biến (N) 100<br /> Số lượng các cụm (Nc) 25<br /> Kích thước tải (E[P]) (byte) 100<br /> Xác suất truy cập (τ) 0,3<br /> 3.1. Ảnh hưởng của SNR<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 2. Ảnh hưởng của SNR đối với thông lượng.<br /> Vì tỷ lệ lỗi bít, tỉ lệ lỗi gói tin được xét tới trong phần này nên trước tiên ảnh<br /> hưởng của SNR tới các phương pháp điều khiển được khảo sát. Với SNR được<br /> thay đổi từ 1 [dB] tới 10 [dB] và kết quả tính toán được thể hiện trong hình 2.<br /> Thông lượng của các phương pháp điều khiển đều rất thấp khi SNR thấp và tăng<br /> dần khi SNR tăng. Đặc biệt, khi SNR lớn hơn 8 thì thông lượng đạt mức bão hoà,<br /> <br /> 56 N. N. Thắng, N. H. Hoàng, P. T. Hiệp, “Phân tích thông lượng của mạng… khi có lỗi bít.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> nghĩa là việc truyền thông tin tới bộ điều phối không còn phụ thuộc vào SNR, hay<br /> nói cách khác, các tập tin nhận được ở CH và bộ điều phối đều được giải mã thành<br /> công PER ≈ 0. Mặt khác, thông lượng của mô hình đơn chặng thấp hơn nhiều so<br /> với phương pháp phân cụm trong toàn giải SNR, vì thế, trong các kết quả sau<br /> không tiến hành so sánh với thông lượng của mô hình đơn chặng.<br /> 3.2. Ảnh hưởng của số lượng cụm<br /> Số cụm được thay đổi từ 2 đến N/2 và thông lượng của hệ thống như được thể<br /> hiện trên hình 3. Thông lượng của phương pháp tái sử dụng siêu khung theo không<br /> gian đạt giá trị cao nhất khi số cụm nhỏ. Thêm vào đó, số lượng các siêu khung tái<br /> sử dụng (k) càng cao thì thông lượng đạt được càng lớn. Tuy nhiên, khi số các cụm<br /> là lớn, thông lượng của hệ thống điều khiển hoàn toàn là cao nhất. Với mỗi k, có<br /> một số tối ưu số lượng cụm mà tại đó thông lượng đạt giá trị cao nhất. Có thể giải<br /> thích điều này là khi số lượng cụm nhỏ hơn giá trị tối ưu, có nghĩa là số các cảm<br /> biến thành viên ở mỗi cụm lớn, vì vậy sự quá tải ở CH sẽ diễn ra và xác suất truy<br /> cập của CH giảm. Kết quả là thông lượng của hệ thống giảm. Ngược lại, khi số các<br /> cụm lớn hơn giá trị tối ưu, sự quá tải ở bộ điều phối sẽ diễn ra, bởi vậy thông lượng<br /> cũng giảm. Tuỳ theo số lượng siêu khung tái sử dụng, tổng số các cảm biến và<br /> phương pháp điều khiển, mà số cụm tối ưu sẽ thay đổi.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 3. Ảnh hưởng của số lượng cụm đối với thông lượng.<br /> 3.3. Ảnh hưởng của xác suất truy cập<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 4. Ảnh hưởng của xác suất truy cập với thông lượng.<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 48, 04 - 2017 57<br />  Kỹ thuật điều khiển & Điện tử<br /> <br /> Thông lượng của các phương pháp tăng lên khi τ tăng vì có nhiều gói tin được<br /> chuyển tới bộ điều phối. Tuy nhiên, tương tự như ảnh hưởng của số lượng cụm, có<br /> một giá trị tối ưu của τ mà tại đó thông lượng đạt giá trị cực đại. Điều này có thể<br /> giải thích như sau: khi τ vượt quá giá trị tối ưu, xung đột ở các CH xảy ra, hệ quả<br /> là τc cũng giảm. Kết quả là thông lượng giảm khi τ tăng vượt quá giá trị tối ưu.<br /> Hơn nữa, τ tối ưu thay đổi tuỳ thuộc vào k cũng như các thông số khác. So sánh<br /> với phương pháp phân cụm không điều khiển và phương pháp điều khiển hoàn<br /> toàn, thông lượng của phương pháp tái sử dụng siêu khung theo không gian cao<br /> hơn. Kết quả tính toán thông lượng được miêu tả ở hình 4.<br /> 3.4. Ảnh hưởng của tổng số các cảm biến<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 5. Ảnh hưởng của tổng số cảm biến đối với thông lượng.<br /> Nếu số lượng cụm là cố định, số lượng cảm biến thành viên tăng khi tổng số các<br /> cảm biến tăng và sẽ gây xung đột tại các CH khi số lượng cảm biến thành viên trở<br /> nên quá lớn. Điều này không sát với thực tế, bởi vậy, số lượng cụm được thay đổi<br /> theo số lượng cảm biến: Nc = N/5 (ảnh hưởng cụ thể của số lượng cụm được phân<br /> tích như ở trên). Kết quả tính toán được thể hiện ở hình 5.<br /> Vì số lượng cụm tăng khi tổng số cảm biến tăng, như giải thích ở mục 3.2, tồn tại<br /> một giá trị tối ưu của tổng số cảm biến để thông lượng đạt cực đại. Tuy nhiên, số<br /> lượng cảm biến thành viên trong mỗi cụm là như nhau, bởi vậy τc của hệ thống điều<br /> khiển hoàn toàn là cố định. Mặt khác, theo (10), khi số lượng các CH tăng, khoảng<br /> thời gian được phép truyền của mỗi siêu khung giảm, thông lượng của hệ thống<br /> không bị ảnh hưởng nên không thay đổi. Thông lượng của phương pháp tái sử dụng<br /> siêu khung có thể cao hơn nhiều so với phương pháp phân cụm không điều khiển và<br /> phương pháp điều khiển hoàn toàn nếu hệ số k thích hợp được lựa chọn.<br /> 4. KẾT LUẬN<br /> Trong bài báo này, chúng tôi đã phân tích mô hình phân cụm có điều khiển truy<br /> cập trong điều kiện kênh truyền không lý tưởng, đã chỉ ra công thức tính tỷ lệ lỗi<br /> bít, từ đó, xây dựng công thức tính thông lượng cho hệ thống. Các phương pháp<br /> điều khiển đã được so sánh khi các tham số hệ thống thay đổi, và phương pháp tái<br /> sử dụng siêu khung có thông lượng đạt giá trị lớn hơn các phương pháp điều khiển<br /> khác và cả phương pháp đơn chặng. Tuy nhiên, trong nghiên cứu này chúng tôi chỉ<br /> <br /> 58 N. N. Thắng, N. H. Hoàng, P. T. Hiệp, “Phân tích thông lượng của mạng… khi có lỗi bít.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> dừng lại ở việc nghiên cứu phân cụm một tầng, việc phân cụm nhiều tầng được<br /> nghiên cứu trong các công trình tiếp theo.<br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> [1]. H. Alemdar and C. Ersoy, “Wireless sensor networks for healthcare: A<br /> survey,” Computer Networks, vol. 54, no. 15, pp. 2688-2710, 2010.<br /> [2]. S. Ullah, H. Higgins, B. Braem, B. Latre, C. Blondia, I. Moerman, S. Saleem,<br /> Z. Rahman, and K. Kwak, “A comprehensive survey of wireless body area<br /> networks,” J. of Medical Systems, vol. 36, pp. 1065-1094, 2012.<br /> [3]. I. Inan, F. Keceli, and E. Ayanoglu, “Analysis of the 802.11e enhanced<br /> distributed channel access function,” IEEE Trans. Commun., vol.57, no. 6,<br /> pp. 1753-1764, 2009.<br /> [4]. D. Malone, K. Duffy, and D. Leith, “Modeling the 802.11 distributed<br /> coordination function in nonsaturated heterogeneous conditions,”<br /> IEEE/ACM Trans. on Netw., vol. 15, no. 1, pp. 159-172, 2007.<br /> [5]. C. G. Park, D. H. Han, and S. J. Ahn, “Performance analysis of MAC layer<br /> protocols in the IEEE 802.11 wireless LAN,” Telecommun. Systems, vol. 33,<br /> no. 3, pp. 233-253, 2006.<br /> [6]. C. W. Pyo and H. Harada, “Throughput analysis and improvement of hybrid<br /> multiple access in IEEE 802.15.3c mm-wave WPAN,” IEEE J. Sel. Areas in<br /> Commun., vol. 27, no. 8, pp. 1414-1424, 2009.<br /> [7]. K. Ashrafuzzaman and K. S. Kwak, “On the performance analysis of the<br /> contention access period of IEEE 802.15.4 MAC,” IEEE Commun. Lett., vol.<br /> 15, no. 9, pp. 986-988, 2011.<br /> [8]. R. Huang, Z. Nie, C. Duan, Y. Liu, L. Jia, and L. Wang, “Analysis and<br /> Comparison of the IEEE 802.15.4 and 802.15.6 Wireless Standards Based on<br /> MAC Layer,” Shenzhen Institutes of Adv. Technol., Chinese Academy of<br /> Sciences, Shenzhen, China, 2014.<br /> [9]. S. Rashwand and J. Misic, “Effects of access phases lengths on performance of<br /> IEEE 802.15.6 CSMA/CA,” Comput. Netw., vol. 56, no. 12, pp. 2832, 2012.<br /> [10]. S. Rashwand and J. Misic,“Performance evaluation of IEEE 802.15.6 under<br /> non-saturation condition,” Proc. the IEEE Global Telecommun. Conf.<br /> (GLOBECOM ’11), pp. 1-6, 2011.<br /> [11]. S. Rashwand, J. Misic, and H. Khazaei, “Performance analysis of IEEE<br /> 802.15.6 under saturation condition and error-prone channel,” Proc. the<br /> IEEE Wireless Commun. and Netw. Conf. (WCNC ’11), pp. 1167, Mar. 2011.<br /> [12]. Pham Thanh Hiep, "Spatial reuse superframe for high throughput cluster-<br /> based WBAN with CSMA/CA," Ad-Hoc and Sensor Wireless Networks, Vol.<br /> 31, No. 1-4, pp.69-87, 2014.<br /> [13]. Nguyễn Như Thắng, Nguyễn Thùy Linh, Nguyễn Huy Hoàng, Phạm Thanh<br /> Hiệp, “Tối ưu hóa số lượng siêu khung tái sử dụng cho mạng quanh cơ thể,” Tạp<br /> chí Khoa học và Công nghệ, HVKTQS, số 180, pp. 20, tháng 10 năm 2016.<br /> [14]. Nguyen Nhu Thang, Nguyen Huy Hoang, Pham Thanh Hiep, “An approach<br /> to enhance the throughput of cluster-based WBAN with CSMA/CA of IEEE<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 48, 04 - 2017 59<br />  Kỹ thuật điều khiển & Điện tử<br /> <br /> 802.15.6,” Journal of Science and Technology, Military University of Science<br /> and Technology, pp. 30-39, số 178, tháng 8 năm 2016.<br /> [15]. Nguyễn Như Thắng, Nguyễn Thùy Linh, Nguyễn Huy Hoàng, Phạm Thanh<br /> Hiệp, “Đề xuất phương pháp tái sử dụng siêu khung cho mạng vô tuyến<br /> quanh cơ thể (WBAN),” Tạp chí Khoa học và Công nghệ, HVKTQS, số 173,<br /> pp. 31- 41, tháng 12 năm 2015.<br /> [16].George C.Clark Jr. and J.Bibb Cain, “Error-Correction Coding for Digital<br /> Communications (Applications of Communications Theory),” Springer, 1981.<br /> [17]. Alfonso Martinez, Albert Guillen i Fabregas and Giuseppe Caire, "A Closed-<br /> Form Approximation for the Error Probability of BPSK Fading Channels,"<br /> IEEE Trans. on wireless commu., Vol. 6, No. 6, pp. 2051-2054, Jun. 2007.<br /> ABSTRACT<br /> ANALYSING THROUGHPUT OF CLUSTER-BASED WBAN WITH BER<br /> Cluster-based topology for WBAN was indicated in several researches,<br /> and the access control method was proposed in order to improve throughput<br /> of system. However, it was assumed that the channel between member<br /> sensors and cluster headers (CH) or between CHs and coordinator are<br /> errorless and decoding at receiver site is always successful. This assumption<br /> is no longer available because the sensor in WBAN system always transmits<br /> data with low power to extend life time of the sensor and avoid effect on<br /> human body. Therefore, a method to analyze the cluster-based WBAN with<br /> several access control methods and existing BER is proposed. The BER<br /> calculation equation is added to analyze the throughput and the throughput<br /> of every access control method is calculated. The calculation result indicates<br /> that the throughput of spatial reuse superframe is higher than that of other<br /> methods at all values of signal to noise ratio (SNR) or other parameters.<br /> Keywords: Cluster-based WBAN, Spatial Reuse Superframe, Bit Error Rate, Throughput.<br /> <br /> <br /> <br /> Nhận bài ngày 13 tháng 01 năm 2017<br /> Hoàn thiện ngày 27 tháng 02 năm 2017<br /> Chấp nhận đăng ngày 05 tháng 4 năm 2017<br /> <br /> <br /> Địa chỉ: 1 Trường Đại học Thông tin liên lạc;<br /> 2<br /> Học viện Kỹ thuật quân sự.<br /> *<br /> Email: hoangnh@mta.edu.vn<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 60 N. N. Thắng, N. H. Hoàng, P. T. Hiệp, “Phân tích thông lượng của mạng… khi có lỗi bít.”<br />